Лекция № 3
Изменение физико-химических свойств и биологические ценности при тепловой обработке продуктов
План
Изменение белков
Изменение жиров
Изменение углеводов
Изменение водосвязующей способности
Изменение структуры и структурно- механических свойств продукта при нагреве
Изменение пищевой и биологической ценности продуктов.
Влияние тепловой обработки продуктов на потери массы.
Под действием тепла обрабатываемый продукт (сырье) претерпевает ряд сложных физико-химических изменений, которые, в свою очередь, являются следствием изменений белков, жиров, углеводов, воды и так далее, содержащихся в продукте. Эти изменения зависят от температуры нагрева продукта, температуры греющей среды, скорости (продолжительности) нагрева, способа нагрева, вида, сорта, химического состава исходного сырья, условий предварительной обработки и других факторов.
Изменение белков
Белковая молекула при нагреве подвергается, прежде всего денатурации и коагуляции, от глубины которых зависит структура и качество готового продукта.
Внутримолекулярные связи в молекуле заменяются межмолекулярными, образуется нерастворимый сгусток. Из разбавленных растворов выпадают хлопья, из концентрированных — коагель, то есть происходит коагуляция белков.
Процесс денатурации белков сопровождается разрушением структуры воды, вследствие этого действующие силы стягивают молекулы в более компактную форму. При повышении температуры контакт воды с углеводородом приводит к замене взаимодействия “вода—вода” на взаимодействие “углерод—вода”, структура белка уплотняется и, как следствие, выделяется часть жидкости.
В результате денатурации и коагуляции мышечных белков возрастают прочностные свойства мяса, сваривание же коллагена и последующий его гидролиз, напротив, ослабляют их.
За формирование структуры и свойств готового продукта ответственны в основном миозин и глобулярный актин.
При нагреве мышечной ткани изменяются также белки саркоплазмы. Выпадение саркоплазматических белков из их растворов происходит вследствие денатурации, которая начинается при температуре около 40°С. Основная масса этих белков коагулирует между 55°С и 65°С, причем наиболее интенсивно при рН=5,5. При температуре 66°С небольшое количество белков еще сохраняет растворимость. При 80°С растворимые белки перестают существовать.
Тепловая денатурация белков складывается из коагуляции мышечных белков и гидролиза соединительной ткани. Оба процесса влияют на образование пространственной структуры и, в конечном счете, на жесткость продуктов.
Коагуляция оказывает решающее воздействие на растворимость, водосвязующую способность и устойчивость белков к действию ферментов. Необратимые денатурационные изменения белков протекают в узких температурных зонах, зависящих от условий нагрева.
Процесс нагрева мышечной ткани сопровождается перестройкой нативной структуры белковой молекулы в зависимости от температуры и длительности процесса, определяющих степень коагуляции белков.
Состояние соединительнотканных белков при нагреве характеризует развариваемость коллагена.
Установлено, что при нагреве мяса СВЧ-энергией коллаген разрушается в меньшей степени, чем при нагреве в воде. Так, при нагреве СВЧ-энергией до 70°С разрушается 14,5% коллагена против 28% при нагреве в воде. При повышении температуры до 90°С (что имеет место при варке мяса птицы) разрушается соответственно 19,5 и 36,4%, т е при СВЧ-нагреве не обеспечивается необходимая (25—40%) дезагрегация коллагена, следовательно, в случае использования СВЧ-энергии для тепловой обработки необходимо использовать ее в комбинации с другими видами энергии или нагревать продукт СВЧ-энергией до более высокой температуры.
Таким образом, физико-химические изменения белков мяса при нагреве в воде и электромагнитном поле СВЧ обнаруживают сходство процессов формирования структуры готового продукта. Однако агрегационные процессы при СВЧ-нагреве выражены менее, поэтому формирование структуры завершается при более высокой температуре (70°С). При нагреве мясного фарша СВЧ-энергией образование прочного белкового каркаса начинается при температуре 52—55°С, активно продолжается до 65—70°С (в зависимости от способа и скорости нагрева), дальнейшее повышение температуры вызывает уплотнение образовавшейся структуры.
Изменение жиров
Животные жиры представляют собой сложные смеси, главным компонентом которых являются глицериды, преимущественно триглицериды, которые способны к взаимодействию с водой, в результате чего происходит расщепление эфирных связей.
Скорость распада жира возрастает при повышении температуры. Увеличение скорости гидролиза, вызываемое повышением температуры, имеет практическое значение лишь при температурах выше 100°С и при продолжительном процессе.
Например, нагрев свиного жира в автоклаве с водой в течение 7 ч при температуре 125°С вызывает повышение кислотного числа на 0,64, а при 130°С — на 0,98.
В технологической практике особенно важное значение имеет ускорение распада жира липолитическими ферментами (липазой), содержащимися в жировой ткани. Так, кислотное число свиного жира, свободного от липазы, при 30°С через 75 ч возрастает всего на 0,36, тогда как кислотное число того же жира при 22°С, но в присутствии липазы, увеличивается на 3,9.
От содержания в жире свободных жирных кислот зависит температура дымообразования (горения) жира.
При действии на жир окислителей происходят более глубокие изменения глицеридов: характер и глубина их действия зависят от их окислительной активности.
Первичными продуктами окисления жиров являются перекисные соединения.
Кроме температуры, на скорость окисления жиров оказывают влияние внешняя энергия (световая и другая) и вещества, играющие роль катализаторов (пигменты, некоторые металлы и их соли).
Окисление жира может происходить как в результате контакта с кислородом воздуха, так и при взаимодействии с кислородом.
Характер взаимодействия активированных молекул кислорода с жиром зависит от температуры. При температуре ниже 50°С образуются преимущественно гидроперекиси жирных кислот или их эфиров.
При нагреве жира до 170 – 300 0С образуется небольшое количество соединений, вредных для здоровья. Их количество зависит от температуры и времени нагрева.
Количество перекисей, накапливающихся в жире в процессе его окисления, может быть выражено с помощью различных условных показателей: перекисного числа, количества кислорода, эквивалентного количеству перекиси в жире и так далее.
Чаще для этого используют перекисное число, понимая под этим количество граммов йода, вытесняемое перекисями, которые содержатся в 100 граммах жира.
В начале окисления в жире происходят малозаметные изменения, и перекисное число практически не изменяется или изменяется незначительно. Этот период принято называть индукционным. Существование этого периода, особенно его длительность, обусловлены наличием в составе жиров веществ, вначале тормозящих процесс окисления.
В индукционном периоде не обнаруживаются продукты более глубокого окисления жира; только когда перекисное число достигнет 0,04 – 0,05%, появляются следы альдегидов за счет дальнейшего превращения перекисей.
По окончании индукционного периода рост перекисного числа резко ускоряется.
В зависимости от преобладающего направления химических изменений окисляемого жира различают:
- прогоркание – окисление сопровождается накоплением низкомолекулярных продуктов распада;
- осаливание – преимущественно образуются оксикислоты и происходит их полимерзация и конденсация.
Таким образом, при умеренной тепловой обработке, например, при промышленной вытопке жира, варке мяса и рыбы, пастеризации молока и тому подобному, жиры не претерпевают сколько-нибудь существенного изменения.
Однако при жаренье продуктов, выпечке хлебобулочных и кондитерских изделий, когда температура достигает 180°С и выше, они подвергаются существенным изменениям. При высокой температуре, а также продолжительном нагревании жиров они подвергаются гидролизу, окислению и полимеризации, разложению с образованием летучих жирных кислот (дымообразование). Это приводит к потемнению цвета жира, увеличению его вязкости.
Если изменение жиров, вызывающее снижение пищевой ценности, заметно только при высокой температуре и продолжительном нагреве, то образование вкусовых веществ, происходит уже при умеренном нагреве.
Изменение углеводов
В пищевых продуктах содержатся различные углеводы: простые моносахара, дисахариды, крахмал, клетчатка, полуклетчатка и так далее.
Крахмал в большом количестве содержится в картофеле, зерне, мучных изделиях, а клетчатка — во всех растительных продуктах.
При нагревании крахмала в присутствии воды (или ее паров) происходит его клейстеризация, которая заключается в разрушении структуры крахмальных зерен и их набухании.
При сухом нагреве выше 120°С происходит его декстринизация, которая заключается в расщеплении крахмальных полисахаридов и превращении их в растворимые в воде высокомолекулярные вещества — пиродекстрины и ряд летучих веществ.
Крахмал состоит из амилозы (20-25%) и амилопектина (75—80%). В воде при нагревании амилоза растворяется, образуя прозрачный коллоидный раствор, в котором распределены набухшие частицы амилопектина.
В естественном состоянии крахмал нерастворим в холодной воде. При 60°С кукурузный крахмал набирает до 300% воды, при 70°С — около 100% к своей исходной массе.
Разрушение структуры крахмального зерна при нагревании в воде протекает через различные фазы.
В первой фазе вода медленно и обратимо поглощается зернами и происходит ограниченное набухание. Вязкость суспензии заметно не повышается. В небольшом пределе температур, приблизительно при 65°С (точная температура является характерной для каждого вида крахмала), начинается вторая фаза набухания: зерно неожиданно набухает, увеличивается во много раз в размере, поглощая большое количество.
Во второй фазе быстро нарастает вязкость крахмальной суспензии. Небольшое количество крахмала растворяется.
Во время третьей фазы набухания, которая происходит при повышенной температуре, зерна становятся почти бесформенными мешочками, из них выщелочена более растворимая часть крахмала.
Суспензии, содержащие даже небольшой процент крахмала, так заполнены этими набухшими мешочками его зерна, что при охлаждении образуют прочный студень.
При обработке горячей водой крахмальные зерна распадаются и крахмал переходит в раствор. А именно распадаются на молекулы меньшего размера, которые неспособны образовывать пространственные сетки, характерные для набухших зерен, однако из высоких концентраций растворов крахмала, легко образуется гель. Его прочность зависит от переплетения крахмальных молекул, особенно амилозы с прямыми цепочками.
Простые сахара, в том числе продукты гидролиза крахмала, при нагревании могут гидролизоваться, карамелизироваться, вступать в реакции меланоидинообразования.
Дисахариды, гидролизуясь, присоединяют воду, превращаясь в простые сахара. Гидролиз происходит под действием ферментов или при нагревании в кислой среде. Если сахара нагревать до температуры выше плавления, то они теряют воду и карамелизируются.
В результате карамелизации образуются ангидриды, которые распадаются, образуя различные вещества, в том числе и альдегиды. Они, в свою очередь, полимеризуются, конденсируются с образованием темно-окрашенных соединений — карамелана, карамелина и других.
При нагревании сахаров в присутствии азотистых соединений (белковых веществ, аминокислот, аминов) протекают реакции покоричневения, меланоидинообразования.
Под действием нагрева углеводы клеточных стенок растительных продуктов специфически изменяются. Растительная клетка окружена оболочкой, внутри которой находятся протоплазма, ядро и вакуоли.
Оболочка клеток состоит из клетчатки (целлюлозы), полуклетчатки (гемицеллюлозы) и других веществ.
Прослойки протопектина (срединные пластинки) придают механическую прочность растительным тканям.
В мясных продуктах содержание углеводов невелико, но они заметно влияют на вкусовые свойства продуктов, поскольку участвуют в образовании сильных вкусовых соединений— меланоидинов.
Значительно большее влияние оказывают углеводы на образование соответствующих вкусовых качеств при обжаривании пищевых продуктов (овощи или рыба) в масле.
Для обжаривания сырье на несколько минут погружают в нагретое до 130—140°С растительное масло.
При обжаривании из сырья испаряется значительная часть влаги, а в него впитывается некоторое количество масла.
При обжаривании на поверхности продукта образуется золотисто-коричневая корочка из карамелизованных углеводов, что придает продукту специфический вкус.
Образование корочки можно представить следующим образом. При погружении сырья в горячее масло влага начинает испаряться, и прежде всего — с поверхности продукта. Поскольку концентрация влаги в глубине получается больше, чем на поверхности, происходит диффузионное подсасывание влаги из глубины на поверхность, где она испаряется.
Пока поверхность влажная, температура ее не может подняться выше 100°С, хотя она и соприкасается с маслом, нагретым до 130—140°С: выкипающая влага отнимает тепло от поверхности и охлаждает ее.
Для глубокой карамелизации углеводов и образования корочки необходима температура выше 100°С, так как скорость испарения влаги с поверхности превышает скорость диффузионного подсасывания ее из глубины на поверхность. Поэтому через некоторое время поверхностный слой обезвоживается, температура его сразу поднимается выше 100°С, и появляется карамелизированная корочка.
При обжаривании овощей корочка образуется из содержащихся в них углеводов — сахаров, крахмала, целлюлозы, пектина. Рыбу перед обжаркой панируют, и корочка образуется из углеводов муки.
В спиртовом производстве тепловой обработке, которую принято называть развариванием, подвергают крахмалосодержащее сырье.
Разваривание осуществляют для разрушения клеточных стенок, освобождения крахмала из клеток и перевода его в растворимую форму, в которой он быстрее и легче осахаривается ферментами. Разваривание крахмалосодержащего сырья проводят путем обработки его паром с избыточным давлением 400—500 кПа.
При тепловой обработке в процессе разваривания идет интенсивное набухание крахмала, его клейстеризация и переход в растворимую форму, обусловленные интенсивным поглощением воды.
При выходе разваренной массы из варочного аппарата давление снижается до атмосферного, что вызывает превращение содержащейся в клетках воды в пар, объем которого в несколько раз превышает объем воды. Такое резкое увеличение объема приводит к разрыву клеточных стенок сырья и превращает его в однородную массу.
Высокая температура на стадии разваривания вызывает протекание процессов меланоидинообразования, термического разложения сахаров (карамелизация) и выхода сахара.
При выпечке хлеба в первые минуты происходит спиртовое брожение внутри теста, которое ускоряется по мере нагрева и при 35°С достигает максимума. В дальнейшем брожение затухает и при 50°С прекращается, так как дрожжевые клетки отмирают, а при 60°С приостанавливается жизнедеятельность кислотообразующих бактерий.
В результате остаточной деятельности микрофлоры во время выпечки в тесте — хлебе — увеличивается содержание спирта, диоксида углерода и кислот, что повышает объем хлеба и улучшает его вкус. Кроме того, в первые минуты выпечки происходит тепловое расширение воздуха и газов внутри теста, что существенно влияет на увеличение объема теста.
Биохимические процессы связаны с изменением состояния крахмала и белков; при температуре 70—800С изменения прекращаются, Крахмал при выпечке клейстеризуется и энергично разлагается, причем его гидролиз в ржаном тесте идет интенсивнее, чем в пшеничном. Поэтому в ржаном тесте содержание водорастворимых веществ (декстринов и сахаров) значительно выше, чем в пшеничном.
От глубины и интенсивности взаимодействия крахмала и белков зависят цвет корки пшеничного хлеба, его вкус и аромат. Это связано с тем, что образовавшиеся сахара вступают в окислительно-восстановительное взаимодействие с белками, и получаются темно-окрашенные вещества — меланоидины — и другие ароматические соединения.
Белки и крахмал при выпечке претерпевают существенные изменения. При 50—70°С одновременно протекают процессы денатурации и коагуляции белков и клейстеризации крахмала. Белки при этом выделяют воду, поглощенную при замесе теста, уплотняются, теряют свою эластичность и растяжимость. Прочный каркас скоагулированных белков закрепляет форму хлеба.
Влага, выделенная белками, поглощается крахмалом. Однако этой воды недостаточно для полной клейстеризации крахмала, и процесс протекает сравнительно медленно, заканчиваясь при прогреве мякиша до 95—97°С. Клейстеризуясь, крахмальные зерна прочно связывают влагу, поэтому мякиш хлеба кажется более сухим, чем тесто.
Изменение водосвязующей способности
Водосвязующая способность (ВСС) является характерным свойством мяса, по изменению которого можно судить о потерях массы в процессе тепловой обработки и качестве продукта. |
Согласно наиболее распространенному в настоящее время определению, под ВСС мяса понимают силу, с которой его белки или структура удерживают воду при воздействии на него различных факторов.
На изменение ВСС мяса в процессе тепловой обработки влияет целый ряд факторов: температура, до которой нагревается продукт, длительность выдержки при этой температуре, температура греющей среды, способ тепловой обработки, скорость нагрева, величина pH обрабатываемого сырья, степень измельчения мяса в процессе куттерования, химический состав сырья; количество добавленной поваренной соли, фосфатов, воды, вид мяса и анатомическое происхождение мышц, возраст животных и другое.
Нагрев несоленого мяса до температуры выше 55°С и соленого выше 75°С вызывает уменьшение количества отпрессованной влаги.
Температура выше 45°С вызывает снижение содержания неотпрессованной влаги, большее количество которой сохраняется в соленом мясе и при СВЧ-нагреве.
Добавление поваренной соли, стабилизируя белковую структуру, замедляет тепловую денатурацию мышечных белков, вследствие чего часть слабосвязанной воды становится недоступной тепловому воздействию и не превращается в пар.
Существенное влияние на потери массы оказывает не только температура, но и длительность процесса.
Влияние продолжительности нагрева на потери массы особенно заметно при температурах ниже 70—80°С. Если при температуре 99°С в течение 5 ч увеличивает потери на 2,9%, то при 70°С ;— на 14,9%. Однако общие потери складываются из потерь массы в процессе нагрева до указанных температур и потери во время выдержки продукта при достигнутой им температуре.
Потери массы при производстве продуктов зависят от способа тепловой обработки. Например, наименьшие потери массы обеспечивает варка мясопродуктов паром при температуре 70°С.